无线传感器可以监控大片土地(例如农场或森林)的温度、湿度或其他环境条件如何变化。
受蒲公英如何利用风来传播种子的启发,华盛顿大学的一个团队开发了一种微型传感器携带装置,当它向地面翻滚时可以被风吹走。该系统的重量约为1毫克蒲公英种子的30倍,但在微风中仍能行进100米,大约相当于足球场的长度,然后由无人机从那里释放。一旦落地,该设备至少可以容纳四个传感器,使用太阳能电池板为其车载电子设备供电,并且可以共享最远60米外的传感器数据。
该团队于3月16日在《自然》杂志上发表了这些结果。
“我们展示了你可以使用现成的组件来创造微小的东西。我们的原型建议您可以使用无人机一次性释放数千个此类设备。它们都会被风带走,基本上你可以用这一滴水创建一个包含1000台设备的网络。”资深作者、华盛顿大学计算机科学与工程学院教授Shyam Gollakota说.“这对于部署传感器领域来说是惊人的和变革性的,因为现在手动部署这么多传感器可能需要几个月的时间。”
由于这些设备板载电子设备,因此要使整个系统像真正的蒲公英种子一样轻是具有挑战性的。第一步是开发一种形状,使系统能够慢慢地落到地上,这样它就可以被微风摇晃。研究人员测试了75种设计,以确定什么会导致最小的“终端速度”,或设备在空中坠落时的最大速度。
“蒲公英种子结构的工作方式是它们有一个中心点,这些小刷毛伸出来减缓它们的下落。我们对其进行了二维投影,为我们的结构创建了基础设计。”主要作者、艾伦学院的华盛顿大学助理教授VikramIyer说。“当我们增加重量时,我们的刷毛开始向内弯曲。我们添加了一个环形结构以使其更加坚硬并占据更多区域以帮助减慢速度。”
为了保持轻便,该团队使用太阳能电池板而不是笨重的电池来为电子设备供电。这些设备在95%的时间里太阳能电池板都直立着着陆。它们的形状和结构使它们能够像蒲公英种子一样以始终直立的方向翻转和掉落。
然而,如果没有电池,系统就无法存储电量,这意味着太阳下山后,传感器就会停止工作。然后当第二天早上太阳升起时,系统需要一点能量才能启动。
“挑战在于,当你第一次打开它们时,大多数芯片会在短时间内吸收更多的能量。”Iyer说。“他们会在开始执行您编写的代码之前检查以确保一切正常。当你打开手机或笔记本电脑时也会发生这种情况,但它们当然有电池。”
该团队设计的电子设备包括一个电容器,这种设备可以在储存一些电荷以度过黑夜。
“然后我们有了这个小电路,它可以测量我们储存了多少能量,一旦太阳升起并且有更多能量进入,它将触发系统的其余部分打开,因为它会感应到它超过了某个阈值。”Iyer说。
这些设备使用反向散射(一种通过反射传输信号来发送信息的方法)将传感器数据无线发送回研究人员。带有传感器的设备——测量温度、湿度、压力和光——在关闭时发送数据直到日落。第二天早上,当这些设备重新启动时,数据收集就恢复了。
为了测量这些设备在风中行进多远,研究人员将它们从不同的高度扔下,无论是用手还是在校园里用无人机。
“这是在模仿生物学,其中变异实际上是一个特征,而不是一个错误。”共同作者、华盛顿大学生物学教授Thomas Daniel说。“植物不能保证今年生长的地方明年会很好,所以它们有一些种子可以传播到更远的地方来对冲他们的赌注。”
无电池系统的另一个好处是,该设备上没有任何东西会耗尽电量-该设备将继续运行,直到它发生物理故障。这样做的一个缺点是电子产品将分散在生态系统中。研究人员正在研究如何使这些系统更易于生物降解。
“这只是第一步,这就是它如此令人兴奋的原因。”Iyer说。“我们现在可以采取许多其他方向-例如开发更大规模的部署,创建可以在坠落时改变形状的设备,甚至增加一些移动性,以便设备在地面上移动以靠近我们感兴趣的区域。”
(原文来自:清洁技术 新能源网综合) |